Достоинства и недостатки различных датчиков температуры

Во многих технологических процессах одной из наиважнейших физических величин является температура. В промышленности для ее измерения применяют датчики температуры. Данные датчики преобразуют информацию о температуре в электрический сигнал, который затем обрабатывается и интерпретируется электроникой и автоматикой. В результате значение температуры либо просто отображается на дисплее, либо служит основанием для автоматического изменения режима работы того или иного оборудования.

Так или иначе, без датчиков температуры сегодня не обойтись, особенно в промышленности. И важно правильно выбрать датчик для своей цели, четко понимая отличительные особенности различных типов температурных датчиков. Об этом и поговорим далее.

Для разных целей — разные датчики

Технологически температурные датчики подразделяются на две большие группы: контактные и бесконтактные. Бесконтактные датчики используют в своем функционировании принцип измерения параметров инфракрасного излучения, исходящего от удаленной поверхности.

Контактные же датчики, представленные на рынке более широко, отличаются тем, что их чувствительный элемент в процессе измерения температуры непосредственно контактирует с поверхностью или средой, температуру которой необходимо измерить. Таким образом, целесообразнее всего нам будет рассмотреть именно контактные датчики, сравнить их типы, характеристики, оценить достоинства и недостатки температурных датчиков разных типов.

Контактный датчик позволит измерить температуру непосредственно поверхности либо среды, в контакте с которой он находится, поэтому чистота окружающей атмосферы по большому счету не важна. Здесь решающее значение имеет прямой и качественный контакт между датчиком и исследуемым материалом.

Контактный датчик может быть изготовлен по одной из нескольких технологий: термистор, термометр сопротивления или термопара. Каждая технология отличается своими достоинствами и недостатками.

Термистор высокочувствителен, его стоимость находится посередине между термопарами и термометрами сопротивления, однако точностью и линейностью он не отличается.

Термопара стоит дороже, реагирует на изменение температуры быстрее, измерения будут более линейными чем у термистора, однако точность и чувствительность не высоки.

Термометр сопротивления — наиболее высокоточный из всех троих, отличается линейностью но более низкой чувствительностью, хотя по стоимости он дешевле термопары.

Кроме того при выборе датчика следует обратить внимание на диапазон измеряемых температур, у термопар и термометров сопротивления он зависит от материала применяемого чувствительного элемента. Вот и нужно найти какой-то компромисс.

Датчики температуры на основе термопар работают благодаря эффекту Зеебека. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного конца — это так называемый горячий спай термопары, который и подвергается воздействию измеряемой температуры. С противоположной стороны проволок температура их концов не изменяется, в этом месте и присоединяется чувствительный вольтметр.

Напряжение, измеряемое вольтметром, зависит от разности температур между горячим спаем и присоединяемыми к вольтметру выводами проволок. Термопары различаются по металлам, которыми образованы их горячие спаи, что обуславливает диапазон измеряемых температур для того или иного датчика но основе термопары.

Ниже приведена таблица с различными типами датчиков данной разновидности. Тип датчика выбирают в зависимости от необходимого температурного диапазона и от характера окружающей среды.

Датчики типа E подходят для работы в окислительной или инертной средах. Типа J – для работы в вакууме, инертной или восстановительной средах. Тип K – подойдет для окислительной или нейтральной среды. Тип N – отличается более продолжительным сроком службы в сравнении с типом K.

Преимущества термопарных датчиков заключаются в стабильности их рабочих параметров при высоких температурах и в относительной быстроте реакции на изменение температуры горячего спая. Датчики данного типа представлены широким спектром доступных диаметров. Имеют невысокую стоимость.

Что касается недостатков, то термопарам свойственна невысокая точность, у них чрезвычайно низкое измеряемое напряжение, к тому же данным датчикам всегда требуются компенсационные цепи.

Чаще других металлов в термометрах сопротивления применяется платина, дающая достаточно широкий температурный диапазон, и позволяющая выбирать датчики различной чувствительности. Так, датчик Pt100 обладает сопротивлением 100 Ом при 0 °C, а Pt1000 – 1кОм при той же температуре, то есть более чувствителен и позволяет более точно измерить температуру.

Если сравнить с термопарой, то термометр сопротивления имеет более высокую точность, его параметры более стабильны, диапазон измеряемых температур шире. Однако чувствительность здесь ниже и время реакции продолжительнее нежели у термопар.

Еще одна разновидность контактных датчиков температуры — термисторы. В них используются оксиды металлов, способные значительно изменять свое сопротивление в зависимости от температуры. Термисторы бывают двух типов: PTC – с положительным температурным коэффициентом сопротивления и NTC – с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

У первых сопротивление возрастает с ростом температуры в определенном рабочем диапазоне, у вторых — с ростом температуры сопротивление уменьшается. Термисторы отличаются более высокой скоростью реакции на изменение температуры и низкой стоимостью, однако они довольно хрупки и имеют узкий рабочий диапазон температур чем те же термометры сопротивления и термопары.

Как было сказано в начале статьи, инфракрасные датчики интерпретируют инфракрасное излучение, исходящее от удаленной поверхности — мишени. Их достоинство в том, что измерение температуры проводится бесконтактным способом, то есть нет необходимости плотно прижимать датчик к предмету или погружать его в среду.

Они очень быстро реагируют на изменение температуры, поэтому применимы для исследования поверхностей даже движущихся объектов, например на конвейере. Только при помощи инфракрасных датчиков и возможно измерение температуры образцов, расположенных например непосредственно в печи или в какой-нибудь агрессивной зоне.

К недостаткам инфракрасных датчиков относится их чувствительность к состоянию излучающей тепло поверхности, а также к чистоте собственной оптики и атмосферы на пути между датчиком и мишенью. Пыль и дым сильно мешают проводить точные измерения.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды

Температура — один из основных физических параметров. Измерять и контролировать его важно как в бытовой жизни, так и на производстве. Для этого существует множество специальных устройств. Термометр сопротивления — один из самых распространенных приборов, активно применяющийся в науке и промышленности. Сегодня мы расскажем что такое термометр сопротивления, его преимущества и недостатки, а также разберемся в различных моделях.

Область применения

Термометр сопротивления — это устройство, предназначенное для измерения температуры твердых, жидких и газообразных сред. Также его используют и при измерении температуры сыпучих веществ.

Свое место термометр сопротивления нашел в газо- и нефтедобыче, металлургии, энергетике, сфере ЖКХ и многих других отраслях.

ВАЖНО! Термометры сопротивления можно использовать как в нейтральных средах, так и в агрессивных. Это способствует распространению прибора в химической промышленности.

Обратите внимание! Для измерения температур в промышленности также используют термопары, про них подробнее узнаете из нашей статьи про термопары.

Виды датчиков и их характеристики

Измерение температуры термометром сопротивления происходит с помощью одного или нескольких чувствительных элементов сопротивления и соединительных проводов, которые надежно спрятаны в защитном корпусе.

Классификация ТС происходит именно по типу чувствительного элемента.

Металлический термометр сопротивления по ГОСТ 6651-2009

Согласно ГОСТ 6651-2009 выделяют группу металлических термометров сопротивления, то есть ТС, чей чувствительный элемент — это небольшой резистор из металлической проволоки или пленки.

Платиновые измерители температуры

ВАЖНО! Основной недостаток этого устройства — дороговизна за счет использования драгоценного металла в составе.

Никелевые термометры сопротивления

Ранее такие датчики использовались в кораблестроении, однако, сейчас в этой отрасли их заменили на платиновые ТС.

Медные датчики (ТСМ)

Секрет в дешевизне прибора. Медные чувствительные элементы просты и неприхотливы в использовании, а также отлично подходят для измерения невысоких температур или сопутствующих параметров, например, температуры воздуха в цехе.

Срок службы такого устройства невелик, однако, и средняя стоимость медной ТС не слишком бьет по карману (около 1 тыс. рублей).

Терморезисторы

Терморезисторы — это термометр сопротивления, чей чувствительный элемент сделан из полупроводника. Это может быть оксид, галогенид или другие вещества с амфотерными свойствами.

Различают два вида терморезисторов:

Градуировочные таблицы термометров сопротивления

Градуировочные таблицы — это сводная сетка, по которой можно легко определить при какой температуре термометр будет иметь определенное сопротивление. Такие таблицы помогают работникам КИПиА оценить значение измеряемой температуры по определённому значению сопротивления.

В рамках этой таблицы существуют специальные обозначения ТС. Их вы можете увидеть в верхней строчке. Цифра означает значение сопротивления датчика при 0°С, а буква металл, из которого оно создано.

Для обозначения металла используют:

Например, 50М — это медный ТС, с сопротивлением 50 Ом при 0 °С.

Ниже представлен фрагмент градуировочной таблицы термометров.

Класс допуска

Класс допуска не стоит путать с понятием класса точности. С помощью термометра мы не напрямую измеряем и видим результат измерения, а передаем на барьеры или вторичные приборы значение сопротивления соответствующее фактической температуры. Именно поэтому введено новое понятие.

Класс допуска — это разница между фактической температурой тела и температурой, которую получили при измерении.

Существует 4 класса точности ТС (от наиболее точного к приборам с большей погрешностью):

Приведем фрагмент таблицы классов допуска, полную версию вы можете увидеть в ГОСТ 6651-2009.

Схема подключений

Для того, чтобы узнать значение сопротивления его надо измерить. Сделать это можно с помощью включения его в измерительную цепь. Для этого используют 3 типа схем, которые отличаются между собой количеством проводов и достигаемой точностью измерений:

Обратите внимание! У датчика Pt1000 уже при нуле градусов сопротивление равно 1000 Ом. Увидеть их можно, например, на паровой трубе, где измеряемая температура равна 100-160 °С, что соответствует примерно 1400-1600 Ом. Сопротивление же проводов в зависимости от длины равно примерно 3-4 Ом, т.е. на погрешность они практически не влияют и смысла в использовании трёх или четырёх проводной схемы подключения особо нет.

Преимущества и недостатки термометров сопротивления

Как и любой прибор, использование термометров сопротивления имеет ряд преимуществ и недостатков. Рассмотрим их.

Преимущества:

Недостатки:

Термометр сопротивления — распространенное устройство практически во всех отраслях промышленности. Этим прибором удобно измерять невысокие температуры, не опасаясь за точность полученных данных. Термометр не отличается особой долговечностью, однако, приемлемая цена и простота замены датчика перекрывают этот небольшой недостаток.

Определение номинального значения сопротивления резистора по маркировке цветовыми полосами: онлайн калькулятор

Для чего нужен пирометр и как измерять температуру бесконтактным методом

Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность

Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Что такое петля фаза-ноль простым языком — методика проведения измерения

Источник

Термометры сопротивления: виды, типы конструкции, классы допуска

Термометрия относится к наиболее простым и эффективным методам измерений. Она основана на том, что физические свойства материала меняются в зависимости от температуры. В частности, измеряя сопротивление металла, сплава или полупроводникового элемента, можно определить его температуру с высокой степенью точности. Датчики такого типа называются термоэлектрическими или термосопротивлениями. Предлагаем рассмотреть различные виды этих устройств, их принцип работы, конструкции и особенности.

Виды термодатчиков

Наиболее распространенными считаются следующие типы термометров сопротивления (далее ТС):

Обозначения:

Расшифровка аббревиатур

Чтобы не возникало вопросов, что такое ТСМ, приведем расшифровку этой и других аббревиатур:

Чем отличается термосопротивление от термопары?

Схема термопары, ее конструкция, а также принцип работы существенно отличается от термометра сопротивления, расскажем об этом простыми словами. У устройства pt100, а также других датчиков, принцип действия основан на сопоставимости между изменением температуры металла и его сопротивлением.

Принцип термопары построен на различных свойствах двух металлов собранных в единую биметаллическую конструкцию. Устройство, подключение, назначение термопары, а также описание погрешности этих приборов будет рассмотрено в отдельной статье.

Сейчас достаточно понимать, что термопара и ТСП, например pt100, это совершенно разные приборы, отличающиеся принципом работы.

Платиновые измерители температуры

Учитывая распространенность металлических датчиков, имеет смысл привести краткое описание этих устройств, чтобы наглядно показать сравнительные характеристики различных видов, особенности, а также описать сферу применения.

Основная область применения – контроль температуры различных технологических процессов. Например, такой прибор может быть установлен в трубопроводе, в котором плотность рабочей среды сильно зависит от температуры. В этом случае показания вихревой расходометра корректируются информацией о температуре рабочей среды.

Датчик термопреобразователь ТСП 5071 производства Элемер

Никелевые термометры сопротивления

Данные устройства практически не используются, поскольку в большинстве случаев их можно заменить приборами с медными чувствительными элементами, которые существенно дешевле и технологичнее (проще в производстве).

Медные датчики (ТСМ)

Внешний вид термопреобразователя ТСМ 1088 1

Но, тем не менее, медные датчики рано списывать, есть немало примеров удачных реализаций, например, ТХА Метран 2700, который предназначен как для различных видов промышленности, но также удачно используется в ЖКХ.

Учитывая, что платиновые терморезисторы наиболее востребованы, рассмотрим варианты их конструктивного исполнения.

Типовые конструкции платиновых термосопротивлений

Наиболее распространение получило исполнение ЧЭ в ПТС, называемое «свободной от напряжения спиралью», у зарубежных изготовителей оно проходит под термином «Strain free». Упрощенный вариант такой конструкции представлен ниже.

Конструктивное исполнение «Strain free»

Обозначения:

Как видно из рисунка, четыре спирали из платиновой проволоки, размещают в специальных каналах, которые потом заполняются мелкодисперсным наполнителем. В роли последнего выступает очищенный от примесей оксид алюминия (Al₂O₃). Наполнитель обеспечивает изоляцию между витками проволоки, а также играет роль амортизатора при вибрациях или когда происходит ее расширение, вследствие нагрева. Для герметизации отверстий в защитном корпусе применяется специальная глазурь.

На практике встречается много вариаций типового исполнения, различия могут быть в дизайне, герметизирующем материале и размерах основных компонентов.

Исполнение Hollow Annulus.

Данный вид конструкции относительно новый, она разрабатывалась для использования в атомной индустрии, а также на объектах особой важности. В других сферах датчики данного типа практически не применяются, основная причина этого высокая стоимость изделий. Отличительные особенности высокая надежность и стабильные характеристики. Приведем пример такой конструкции.

Пример исполнения «Hollow Annulus»

Обозначения:

ЧЭ данной конструкции представляет собой металлическую трубку (полый цилиндр), покрытый слоем изоляции, сверху которой наматывается платиновая проволока. В качестве материала цилиндра используется сплав с температурным коэффициентом близким к платине. Изоляционное покрытие (Al₂O₃) наносится горячим напылением. Собранный ЧЭ помещается с защитный корпус, после чего его герметизируют.

Для данной конструкции характерна низкая инерционность, она может быть в диапазоне от 350,0 миллисекунд до 11,0 секунд, в зависимости от того используется погружаемый или монтированный ЧЭ.

Пленочное исполнение (Thin film).

Основное отличие от предыдущих видов заключается в том, что платина тонким слоем (толщиной в несколько микрон) напыляется на керамическое или пластиковое основание. На напыление наносится стеклянное, эпоксидное или пластиковое защитное покрытие.

Миниатюрный пленочный датчик

Это наиболее распространенный тип конструкции, основные достоинства которой заключаются в невысокой стоимости и небольших габаритах. Помимо этого пленочные датчики обладают низкой инерционностью и относительно высоким внутренним сопротивлением. Последнее практически полностью нивелирует воздействие сопротивления выводов на показания прибора (таблицы термосопротивлений можно найти в сети).

Что касается стабильности, то она уступает проволочным датчикам, но следует учитывать, что пленочная технология усовершенствуется год от года, и прогресс довольно ощутим.

Стеклянная изоляция спирали.

В некоторых дорогих ТС платиновую проволоку покрывают стеклянной изоляцией. Такое исполнение обеспечивает полную герметизацию ЧЭ и увеличивает влагостойкость, но сужает диапазон измеряемой температуры.

Класс допуска

Согласно действующим нормам допускается определенное отклонение от линейной характеристики «температура-сопротивление». Ниже представлена таблица соответствия класса точности.

Таблица 1. Классы допуска.

Приведенная в таблице погрешность отвечает текущим нормам.

Схемы включения ТСМ/ТСП

Существует три варианта подключения:

В измерительных приборах ТС, как правило, включен по мостовой схеме.

Пример подключения по мостовой схеме вторичного прибора (pt100) для измерения температуры воздуха

Обратим внимание, что под r_л.с. в электрической схеме подразумевается сопротивление линий связи, то есть проводов, которыми подключен датчик.

Обслуживание

Информация о ТО температурного датчика указана в паспорте прибора или инструкции эксплуатации, там же приводится типовые неисправности и способы их ремонта, рекомендуемая длина кабеля для подключения, а также друга полезная информация.

Термометры сопротивления не требуют специального ТО, в задачу обслуживающего персонала входит:

Такой осмотр должен проводиться с периодичностью один раз в месяц или чаще.

Помимо этого должна проводиться поверка приборов, с использованием эталонного датчика, например, ЭТС 100.

Платиновый эталонный ПТС (датчик ЭТС 100)

Для градуировки датчиков используются специальные таблицы, в качестве примера приведена одна из них для термосопротивления pt100. Саму методику калибровки мы приводить не будем, ее описание несложно найти в сети.

Что касается методики поверки эталонных платиновых датчиков, то она должна производиться на специальных реперных точках.

Источник